Termotecnia CIENCIA

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Ciencia

Consiste en el estudio de las transformaciones industriales de energía (v.), en las cuales ésta, en la fase inicial o final del proceso, se encuentra en forma térmica.

Según esto, los capítulos básicos que abarca son: a) el desarrollo de la energía térmica (combustión y reacciones nucleares); b) la transmisión de calor; c) la obtención de energía mecánica a partir de térmica por medio de motores térmicos; y d) la obtención de energía térmica a partir de mecánica (producción de frío).

Calor y trabajo. Calor (v.) y trabajo (v.) son dos formas de energía, pero en evolución. Los cuerpos "no tienen" calor, según la definición física de esta palabra. Cuando están a temperatura alta tienen un alto contenido de energía interna, y se denomina calor a la energía que pasa de un cuerpo a otro, como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ambos, y sólo mientras está pasando. De la misma manera, se denomina trabajo a la energía que pasa de un cuerpo a otro como consecuencia de la existencia entre ellos de fuerzas que se desplazan, y sólo mientras está pasando.

La base de la T., o Termodinámica aplicada, está en que es posible comunicar a un cuerpo o a un sistema una cantidad de energía en forma de calor, utilizando una diferencia de temperatura entre él mismo y un manantial, y hacer que entregue parte de esta energía a otro cuerpo o sistema en forma de trabajo, si se puede conseguir que ejerza una fuerza sobre este último (v. TERMODINÁMICA).

Una serie de razones técnicas hacen que el sistema más apto para absorber energía en una forma y cederla en otra sea un gas. Cuando a este gas se le comunica energía en forma de calor, ello se traduce en un aumento de energía cinética de sus moléculas, que se mueven en todas direcciones con una velocidad más elevada que la que tenían antes. El gas, en estas condiciones, tiene una presión alta, porque sus moléculas, al chocar contra las paredes del recipiente y salir reflejadas, producen una reacción de gran intensidad. Si colocamos dicho gas en un cilindro con una pared móvil o pistón, su presión puede contribuir a que el pistón se mueva; ha ejercido una fuerza que se desplaza, y, por tanto, un trabajo. Pero lo que ha ocurrido realmente ha sido que, como consecuencia de los choques con la pared, el movimiento desordenado de las moléculas del gas se ha convertido en el movimiento ordenado de las moléculas del pistón sólido, que se mueven uniformemente cuando el pistón se desplaza.

El segundo principio de Termodinámica dice que sin auxilio de medios externos es imposible (o altamente improbable) que un conjunto de elementos que están desordenados (en este caso la energía de las moléculas) se ordene por sí mismo. No se puede conseguir una máquina térmica sin que, al mismo tiempo que parte’ de la energía aumenta su ordenación produciendo trabajo, otra parte de la energía que el gas ha recibido se desordene más, pasando en forma de calor a otros sistemas con temperatura inferior a la del gas que hace de vehículo de la energía. Por tanto, un esquema elemental de toda máquina térmica productora de trabajo sería el de la figura 1.

El esquema puede funcionar también en sentido inverso: si a un sistema le comunicamos energía en forma de trabajo, puede absorber energía en forma de calor de una fuente fría, y ceder el conjunto de las dos energías absorbidas, esta vez en forma de calor, a una fuente a temperatura alta. Así funcionan las máquinas productoras de frío (v.).

Las primitivas máquinas térmicas que transformaban calor en trabajo (sobre todo las de Newcomb y Watt) han desempeñado un papel fundamental en la historia de la Humanidad, porque fueron los hechos técnicos que desencadenaron en la Inglaterra del s. XVIII la revolución industrial (v.) y abrieron paso a la era del maquinismo (V. INDUSTRIALISMO). Hasta entonces, la energía utilizada en transformaciones industriales procedía casi íntegramente del trabajo muscular del hombre y de los animales. Desde el punto de vista físico, es interesante que estas máquinas se utilizaran cuando aún se desconocía la naturaleza del calor. Basándose en observaciones sobre las mismas máquinas, Carnot (v.) realizó, en 1824, su trabajo Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego, que constituye la base del desarrollo de la Termodinámica.

La Naturaleza, fuente de energía térmica. Hemos visto las características básicas de una máquina térmica: a) se utiliza para producir trabajo, a partir de energía, de la que sólo disponemos en forma de energía interna de cuerpos a altas temperaturas; b) necesita el auxilio de un sistema intermedio, que reciba la energía en forma de calor y la ceda en forma de trabajo; c) tiene un rendimiento muy bajo, que, en general, no supera el 15%, ya que una parte notable de la energía que el sistema recibe en forma de calor no la devuelve en forma de trabajo, sino que la envía en forma de calor a otro manantial frío.

Aunque este método de aprovechamiento de la energía es de tan bajo rendimiento, constituye una de las bases de la técnica moderna. Una de las razones es la siguiente: la vida en nuestro planeta ha permitido la acumulación de grandes masas ricas en carbono (el carbón de piedra y el petróleo no existirían si no hubiera habido vida), obtenidas a base de descomponer el anhídrido carbónico del aire y retener su carbono (v.). Esta reacción se ha producido en las hojas de los árboles que, a través de la acción clorofílica, han absorbido energía del Sol. Al mismo tiempo, la atmósfera (v.) contiene una alta proporción de oxígeno, y es fácil desencadenar una reacción química exotérmica que, una vez empezada, se mantiene mientras existen sustancias reaccionantes: la combustión (v.). Este procesoC+O2=C02es la primera reacción o fenómeno químico que el hombre fue capaz de realizar (v. REACCIONES QUÍMICAS).

La simplicidad del proceso por el cual se libera la energía en la combustión es la razón por la que aún hoy,cuando se quiere obtener energía altamente ordenada en forma de trabajo, a partir de la energía altamente ordenada contenida en la estructura del carbón o del petróleo, se recurre al procedimiento, aparentemente ilógico, de desordenar toda esa energía por medio de la combustión, para volver a ordenar un 15% de ella (la que va a producir trabajo), aunque ello sea a costa de terminar de desordenar el 85% restante, en tal forma que queda inservible.

Se ha intentado obtener, a partir de la energía química del carbón (v. CARBÓN II), energía eléctrica (v.), sin pasar por la fase intermedia de energía interna a alta temperatura, con lo cual se podría obtener trabajo con un rendimiento próximo al 100%, pero estos intentos no han tenido aún un desarrollo industrial importante. Se está dedicando al problema un interés renovado, no sólo por lo que supondría de abaratamiento de la energía, sino porque el tosco método de desarrollar la energía de los combustibles (v.) da lugar a una proporción importante de productos mal quemados (óxido de carbono, humos, etcétera), que constituyen una amenaza visible para la vida en las ciudades (V. CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA).

Todo lo dicho de los problemas básicos de la T. fundada en el carbón se puede repetir respecto a la T. de las centrales nucleares, en las cuales, igualmente, se desarrolla energía que no se sabe aprovechar más que pasándola por la fase de energía térmica de alta temperatura de algún fluido (V. NUCLEAR, ENERGÍA; FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR), con el mismo bajo rendimiento que marcan los principios de Termodinámica.

V. t.: ENERGÍA II;GENERADORES Y MOTORES II;TÉRMICA, ENERGÍA.

J. GONZÁLEZ IBEAS.

BIBL.: J. GRISWOLD, Fuel, Combustion and Furnaces, Nueva York 1946; J. PALACIOS, Termodinámica aplicada, Madrid 1972; W. H. SEVERNS, H. E. DEGLER Y J. C. MILES, La producción de energía mediante el vapor de agua, el aire y los gases, Barcelona 1961; A. CHAPMAN, Transmisión del calor, 2 ed. Madrid 1968; W. H. MCADAMS, Transmisión de calor, 3 ed. Nueva York 1964.